應(yīng)用化工專業(yè)論文

..摘要論文完成了管式加熱爐工藝相關(guān)設(shè)計，包括燃燒、輻射室、對流室、余熱回收及通風(fēng)系統(tǒng)等模塊，得到輻射室爐膛溫度、爐管外表熱強(qiáng)度、對流室介質(zhì)出口溫度、排煙溫度等參數(shù)，適用于常減壓、重整、焦化等不同用途，圓筒爐、雙室立式爐、雙面輻射立式爐等不同構(gòu)造加熱爐的相關(guān)問題。通過測定、經(jīng)歷以及計算可獲得傳熱系數(shù)的具體數(shù)值，可根據(jù)公式計算出該加熱爐的真實(shí)傳熱能力以及傳熱效率，對加熱爐的是否選用提供決定因素；從理論上分析了對加熱爐效率的影響因素。分析得出：排煙損失是加熱爐能量損失中最大的一局部。因此在考慮加熱爐平安運(yùn)行的前提下，降低排煙溫度以及控制過?？諝庀禂?shù)是比擬有效的節(jié)能措施。強(qiáng)調(diào)了傳熱的最近本方式，即：熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射；理論分析為節(jié)能效果提供了定性的分析，熱力計算為節(jié)能效果提供了一個定量的分析。通過本論文也可在管式加熱爐的節(jié)能改造以及燃料的節(jié)約方面尋求到可行性途徑。關(guān)鍵詞：管式加熱爐；類型；構(gòu)造；傳熱系數(shù)；爐溫、爐壓；節(jié)能。目錄24407摘要16771目錄324949前言526221第一章管式加熱爐概述6314841.1管式加熱爐的一般機(jī)構(gòu)6324111.1.1輻射室6278541.1.2對流室6164341.1.3余熱回收系統(tǒng)742181.1.4燃燒器748521.1.5通風(fēng)系統(tǒng)7311071.2管式加熱爐的主要類型8256181.2.1蒸餾爐8207721.2.2殘渣油加熱爐8116181.2.3加氫爐9289871.2.4重整爐1048981.2.5氣體加熱爐10162581.3管式加熱爐的特點(diǎn)11135251.4管式加熱爐的作用114982第二章傳熱13291792.1傳熱過程1311842.2傳熱的根本方式13106882.2.1熱傳導(dǎo)13113042.2.2熱輻射14298972.2.3熱對流15316892.3傳熱系數(shù)174813第三章管式加熱爐的節(jié)能改造1975903.1節(jié)能改造途徑19208953.2加熱爐在操作中的節(jié)能19111553.2.1控制燃燒供風(fēng)2086553.3煉廠加熱爐節(jié)能改造16838第四章結(jié)論2327918參考文獻(xiàn)2420508致25前言管式加熱爐是煉油廠和石油化工廠的重要設(shè)備之一，它利用燃料在爐膛燃燒時產(chǎn)生的高溫火焰與煙氣作為熱源，來加熱管中流動的油品，使其到達(dá)工藝規(guī)定的溫度，以供應(yīng)原油或油品分餾、裂解和反響等加工過程中所需要的熱量，保證生產(chǎn)正常進(jìn)展。為了確保石油化工廠設(shè)備經(jīng)常處于良好的狀況，就必須強(qiáng)化設(shè)備管理，廣泛應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，不斷提高檢修質(zhì)量，搞好設(shè)備的操作和維護(hù)，即使消除設(shè)備隱患，排除故障，提高設(shè)備的可靠度，從而確保生產(chǎn)裝置的平安、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。第一章管式加熱爐概述1.1管式加熱爐的一般機(jī)構(gòu)管式加熱爐一般由輻射室、對流室、余熱回收系統(tǒng)、燃燒器以及通風(fēng)系統(tǒng)五局部組成，如圖1-1所示。輻射室輻射室是通過火焰或高溫?zé)煔膺M(jìn)展輻射傳熱的局部。這個局部直承受到火焰沖刷，溫度最高，是熱交換的主要場所，是全爐最重要的部位。可以說一個爐子的優(yōu)劣主要看它的輻射室性能如何。對流室對流室是靠由輻射室出來的煙氣進(jìn)展對流換熱局部，但實(shí)際上它也有一局部輻射熱交換，而且有時輻射換熱還占有頗大的比例。所謂對流室不過是指"對流傳熱氣支配作用的部位〞。對流室分不多排爐管，煙氣以較大速度沖刷這些管子，進(jìn)展有效的對流換熱。對流室一般擔(dān)負(fù)全爐熱負(fù)荷的20~30%。對流室吸收熱量的比例越大，全爐熱效率越高，但就僅占多少比例適宜應(yīng)根據(jù)管流體同煙氣的溫度差和煙氣通過對流管排的壓力損失等，選擇最經(jīng)濟(jì)合理的比值。對流室一般都布置在輻射室之上，與輻射室分開，單獨(dú)放在地面上也可以。為了盡量提高傳熱效果，多數(shù)爐子在對流室采用了釘頭管和翹片管。余熱回收系統(tǒng)余熱回收系統(tǒng)是從離開對流室的煙氣中進(jìn)一步回收余熱的局部?；厥辗椒ǚ謨深?。一類是靠預(yù)熱燃燒用空氣來回收熱量，這些熱量再次返回爐中。另一類是采用同爐子完全無關(guān)的其他流體回收熱量。前者稱為"空氣預(yù)熱方式〞，后者因?yàn)槌３Ｊ褂盟厥眨环Q為"廢熱鍋爐方式〞?？諝忸A(yù)熱方式又有直接安在對流室上面的固定管式空氣預(yù)熱器和單獨(dú)放在地上的回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器等種類。固定管式空氣預(yù)熱器由于低溫腐蝕和積灰，不能指望長期保持太高的熱效率，它的優(yōu)點(diǎn)是同爐體結(jié)合成一體，設(shè)計和制造比擬簡單，適合于熱回收熱量不大時選用。燃燒器燃燒器產(chǎn)生熱量，是爐子的重要組成局部。如前所述，管式加熱爐只燒燃料氣和燃料油，所以不需要少煤那樣復(fù)雜的輔助系統(tǒng)，火嘴構(gòu)造也比擬簡單。由于燃燒火焰猛烈，必須特別重視火焰與爐管的艱巨以及燃燒器間的間隔，盡可能使?fàn)t膛受熱均勻，使火焰不沖刷爐管并實(shí)現(xiàn)低氧完全燃燒。為此，要合理選擇燃燒器的型號，仔細(xì)布置燃燒器。通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的任務(wù)是將燃燒用空氣導(dǎo)入燃燒器，并將廢煙氣引出爐子，它分為自然通風(fēng)方式和強(qiáng)制通風(fēng)方式兩種。前者依靠煙囪本身的抽力，不消耗機(jī)械功。后者要使用風(fēng)機(jī)，消耗機(jī)械功。過去，絕大多數(shù)爐子因?yàn)闋t煙氣側(cè)阻力不大，都采用自然通風(fēng)方式，煙囪通常安在爐頂，煙囪高度只要足以克制爐煙氣側(cè)阻力就可以了。但是，近年來由于公害問題，石油化工廠已開場安設(shè)獨(dú)立于爐群的超高型集合煙囪這一煙囪通過煙道把假設(shè)干臺爐子的煙氣收集起來，從100米左右的高出排放，以降低地面上污染氣體的濃度。強(qiáng)制通風(fēng)方式只在爐子構(gòu)造復(fù)雜，爐煙氣側(cè)阻力很大，或者設(shè)有前述余熱回收系統(tǒng)時才采用，它必須使用風(fēng)機(jī)。1.2管式加熱爐的主要類型管式爐的類型很多。根據(jù)爐型構(gòu)造不同，可分為箱式爐、立式爐和圓筒爐等。按爐進(jìn)展傳熱主要方式分類，管式爐有純對流式、輻射-對流式和輻射式。按燃燒方式分類那么有火炬式和無煙燃燒式。按用途分純加熱爐和加熱-反響爐。前者如常壓爐、減壓爐，原料在爐只起到加熱〔包括汽化〕的作用；后者如裂解爐、焦化爐，原料在爐不僅被加熱，還應(yīng)保證有一定的停留時間進(jìn)展裂解或焦化反響。下面簡單介紹一下煉油裝置的管式爐。蒸餾爐蒸餾爐包括原油蒸餾裝置的常壓爐、減壓爐以及后續(xù)加工裝置的長牙和減壓分流餾塔加熱爐。一般蒸餾爐，當(dāng)熱符合不大于30MW時，有優(yōu)先用輻射-對流型圓筒爐；當(dāng)負(fù)荷大于30MW時，通常選用立管立式爐或雙管雙室箱式爐。殘渣油加熱爐這類加熱爐包括延遲焦化爐、減粘加熱爐及瀝青加熱爐等，均屬于加熱重質(zhì)油的管式爐。其特點(diǎn)為爐管油料相對密度大、黏度高、易裂解、管避容易結(jié)焦。為保證加熱爐能長周期運(yùn)行，一般均在輻射管入水或蒸汽以及提高管流速。由于延遲焦化爐和瀝青爐操作條件較為苛刻，應(yīng)選擇水平管立式爐或單排管雙面輻射爐時，不僅能改善傳熱的均勻性，還能縮短油料在爐的停留時間，因此新設(shè)計的焦化爐大都采用這種爐型。煉油焦化加熱爐采用FW公司專有的雙面斜面階梯爐，每臺加熱爐由6個輻射室、1個對流室組成，每個輻射管程設(shè)置單獨(dú)的一個爐膛。1個對流室安裝在輻射室上，用于原料預(yù)熱和蒸汽過熱。這種構(gòu)造形式能夠根據(jù)操作靈活性，獨(dú)立控制每一個單元，能夠?qū)崿F(xiàn)在線清焦和停車機(jī)械清焦、蒸汽空氣燒焦。燃燒器采用進(jìn)口焦化專用燃燒器，可以有效的實(shí)現(xiàn)環(huán)保排放。加氫爐加氫裝置反響器進(jìn)料加熱爐，一般簡稱為加氫反響爐或加氫爐。按操作壓力分類，加氫爐可分為高壓加氫爐和中、低壓加氫爐兩大類。操作壓力在10MPa以上的一般叫做高壓加氫爐，如減壓榨油加氫爐、常壓重油加氫爐、加氫裂化爐、潤滑油加氫精制爐、潤滑油加氫降凝爐等。對于高壓加氫反響爐由于其操作條件十分苛刻，因此早期的加氫反響爐都設(shè)計成純對流爐，防止盤管受火焰直接加熱。隨著技術(shù)的不斷開展，自70年代以來，高壓加氫反響爐逐漸改用輻射-對流型或純輻射型爐型。理想的爐型是單排臥管雙面輻射爐型〔圖1-5〕。它可以在最高強(qiáng)度不超限的情況下，得到較高的平均熱強(qiáng)度，縮短爐管總長度和減少彎頭數(shù)量，從而得到最小的壓降。這樣一來，縮短爐管總長度和減少彎頭數(shù)量，將成為大幅減少壓降的重要手段，這與一般流速較低的爐子是不一樣的。同時由于爐管外表被充分利用來傳熱，因而也是最經(jīng)濟(jì)的。重整爐"重整〞是使烴類分子重新排列成新分子構(gòu)造的工藝過程：在催化劑的作用下，環(huán)烷烴和烷烴轉(zhuǎn)化成芳烴和異構(gòu)烷烴，同時副產(chǎn)局部氫氣。早年的處理量15-30萬噸/年半再生重整裝置中常常采用純輻射型圓筒爐。隨著催化劑重整工藝的進(jìn)步，重整加熱爐的規(guī)模也發(fā)生了重大變化。重整爐的突出特點(diǎn)就是要求管流體的壓降要小。大型化的重整爐管介質(zhì)體積流量大，出爐溫度高。加熱爐的爐管多設(shè)計為幾十爐管并聯(lián)。圓筒爐在構(gòu)造上已不能滿足大型化的要求，新型爐應(yīng)運(yùn)而生如圖1-6。氣體加熱爐氣體加熱爐主要特點(diǎn)是爐管的被加熱介質(zhì)不是油品，而是氣體，如氮?dú)?、空氣和過熱蒸汽管。氣體加熱爐的爐型主要按其熱負(fù)荷來選擇，20MW以下的一般選用圓筒爐。熱負(fù)荷更大時，一般選用箱式爐。1.3管式加熱爐的特點(diǎn)管式加熱爐,包括加熱爐本體和余熱回收系統(tǒng),余熱回收系統(tǒng)包括空氣預(yù)熱器,其中空氣預(yù)熱器由非冷凝式空氣預(yù)熱器和冷凝式空氣預(yù)熱器兩段組成,余熱回收系統(tǒng)中另設(shè)有冷凝液收集池,引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī),冷凝液收集池直接設(shè)在冷凝式空氣預(yù)熱器下方,冷凝液收集池與引風(fēng)機(jī)相連接,鼓風(fēng)機(jī)與冷凝式空氣預(yù)熱器相連；其加熱爐的排煙溫度可降低到100℃左右,實(shí)現(xiàn)煙氣中含酸水蒸氣的局部冷凝,且在回收煙氣低溫顯熱的同時,能回收局部含酸水蒸氣的汽化潛熱,進(jìn)一步提高加熱爐熱效率,節(jié)約能源.1.4管式加熱爐的作用管式加熱爐的構(gòu)造和作用管式爐主要由輻射室、對流室、爐管、燃燒器及煙道等組成。1.輻射室與對流室管式爐四周有爐墻(由耐火層、保溫層等組成〕,里面排有爐管.原料油或油品從對流室的爐管〔稱對流管〕進(jìn)入,經(jīng)輻射室的爐管〔輻射管〕加熱到要求的溫度后離開爐子。燃料油和〔或〕燃料氣在爐膛里燃燒,以輻射方式直接加熱原料油。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入對流室,以對流方式把熱量傳給原料,最后從煙囪中排出。在加熱爐里70～80％的加熱任務(wù)是在輻射室里完成的。對流室除用以加熱油品以外,有時還有局部爐管用來生產(chǎn)過熱蒸汽供裝置用。2.爐管排列在輻射室里的爐管,一般材料為優(yōu)質(zhì)碳鋼〔10號鋼〕；處理高溫或有腐蝕性的原料油那么采用鉻鉬合金鋼〔如Cr5Mo等〕。為了增加傳熱面積,強(qiáng)化傳熱過程,對流室爐管外外表可以帶有釘頭。3.燃燒器是噴散燃料與空氣混合的設(shè)備,以使燃料完全燃燒。加熱爐所用的燃料有兩種：一種是重質(zhì)油品,即燃料油,另一種是燃料氣。燒燃料油時,一般采用蒸汽與燃料混合,經(jīng)油嘴高速噴出,使油霧化,空氣從風(fēng)門中選入,選行燃燒。第二章傳熱2.1傳熱過程傳熱學(xué)就是研究熱量傳遞過程中的根本規(guī)律及其應(yīng)用的一門科學(xué)實(shí)際。傳熱過程一般都不是單一的傳熱方式，如火焰對爐壁的傳熱，就是輻射、對流和傳導(dǎo)的綜合，而不同的傳熱方式那么遵循不同的傳熱規(guī)律。為了分析方便，人們在傳熱研究中把三種傳熱方式分解開來，然后再加以綜合。傳熱過程即熱量傳遞過程。在化工生產(chǎn)過程中，幾乎所有的化學(xué)反響過程都需要控制在一定的溫度下進(jìn)展。為了到達(dá)和保持所要求的溫度，反響物在進(jìn)入反響器前常需加熱或冷卻到一定溫度。在過程進(jìn)展中，由于反響物需要吸收或放出一定的熱量，故又要不斷地導(dǎo)入或移出熱量；有些單元操作，如蒸餾、蒸發(fā)、枯燥和結(jié)晶等，都有一定的溫度要求，所以也需要有熱能的輸入或輸出，過程才能進(jìn)展；此外，許多設(shè)備或管道在高溫或低溫下操作，假設(shè)要保證管路中輸送的流體能維持一定的溫度以及減少熱量損失，那么需要保溫〔或隔熱〕；近十多年來，隨著能源價格的不斷上漲，回收廢熱及節(jié)省能源已成為降低生產(chǎn)本錢的重要措施之一。以上所講到的情況，都與熱量傳遞有關(guān)?？梢?，在化工生產(chǎn)中，傳熱過程具有相當(dāng)重要的地位。2.2傳熱的根本方式熱傳導(dǎo)定義：物體各局部無相對位移，僅依靠物質(zhì)分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而使熱量從高溫局部向低溫局部傳遞的現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)是介質(zhì)無宏觀運(yùn)動時的傳熱現(xiàn)象，其在固體、液體和氣體中均可發(fā)生，但嚴(yán)格而言，只有在固體中才是純粹的熱傳導(dǎo)，而流體即使處于靜止?fàn)顟B(tài)，其中也會由于溫度梯度所造成的密度差而產(chǎn)生自然對流，因此，在流體中對流與熱傳導(dǎo)同時發(fā)生。物體或系統(tǒng)的各點(diǎn)間的溫度差，是熱傳導(dǎo)的必要條件。由熱傳導(dǎo)方式引起的熱傳遞速率〔簡稱導(dǎo)熱速率〕決定于物體溫度的分布情況。溫度場就是任一瞬間物體或系統(tǒng)各點(diǎn)的溫度分布總和。熱量從系統(tǒng)的一局部傳到另一局部或由一個系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)的現(xiàn)象叫熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是熱傳遞三種根本方式之一。它是固體中熱傳遞的主要方式，在不流動的液體或氣體層中層層傳遞，在流動情況下往往與對流同時發(fā)生。熱傳導(dǎo)實(shí)質(zhì)是由大量物質(zhì)的分子熱運(yùn)動互相撞擊，而使能量從物體的高溫局部傳至低溫局部，或由高溫物體傳給低溫物體的過程。在固體中，熱傳導(dǎo)的微觀過程是：在溫度高的局部，晶體中結(jié)點(diǎn)上的微粒振動動能較大。在低溫局部，微粒振動動能較小。因微粒的振動互相聯(lián)系，所以在晶體部就發(fā)生微粒的振動，動能由動能大的局部向動能小的局部傳遞。在固體中熱的傳導(dǎo)，就是能量的遷移。在金屬物質(zhì)中，因存在大量的自由電子，在不停地作無規(guī)那么的熱運(yùn)動。一般晶格震動的能量較小，自由電子在金屬晶體中對熱的傳導(dǎo)起主要作用。所以一般的電導(dǎo)體也是熱的良導(dǎo)體，但是也有例外，比方說鉆石，事實(shí)上，jewller可以通過測寶石的導(dǎo)熱性來判斷鉆石的真假。在液體中熱傳導(dǎo)表現(xiàn)為：液體分子在溫度高的區(qū)域熱運(yùn)動比擬強(qiáng)，由于液體分子之間存在著相互作用，熱運(yùn)動的能量將逐漸向周圍層層傳遞，引起了熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。由于熱傳導(dǎo)系數(shù)小，傳導(dǎo)的較慢，它與固體相似，因而不同于氣體；氣體依靠分子的無規(guī)那么熱運(yùn)動以及分子間的碰撞。熱輻射物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。熱量傳遞的3種方式之一。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長覆蓋圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。溫度較低時，主要以不可見的紅外光進(jìn)展輻射，當(dāng)溫度為300℃時熱輻射中最強(qiáng)的波長在紅外區(qū)。當(dāng)物體的溫度在500℃以上至800℃時，熱輻射中最強(qiáng)的波長成分在可見光區(qū)。關(guān)于熱輻射,其重要規(guī)律有4個:基爾霍夫輻射定律,普朗克輻射分布定律,斯蒂藩-玻耳茲曼定律.維恩位移定律.這4個定律,有時統(tǒng)稱為熱輻射定律.物體在向外輻射的同時，還吸收從其他物體輻射來的能量。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、外表積、黑度等因素有關(guān)。但是，在熱平衡狀態(tài)下，輻射體的光譜輻射出射度〔見輻射度學(xué)和光度學(xué)〕r〔λ，T〕與其光譜吸收比a〔λ，T〕的比值那么只是輻射波長和溫度的函數(shù)，而與輻射體本身性質(zhì)無關(guān)，即上述規(guī)律稱為基爾霍夫輻射定律，由德國物理學(xué)家G.R.基爾霍夫于1859年建立。式中吸收比a的定義是：被物體吸收的單位波長間隔的輻射通量與入射到該物體的輻射通量之比。該定律說明，熱輻射輻出度大的物體其吸收比也大，反之亦然。黑體是一種特殊的輻射體，它對所有波長電磁輻射的吸收比恒為1。黑體在自然條件下并不存在，它只是一種理想化模型，但可用人工制作接近于黑體的模擬物。即在一封閉空腔壁上開一小孔，任何波長的光穿過小孔進(jìn)入空腔后，在空腔壁反復(fù)反射，重新從小孔穿出的時機(jī)極小，即使有時機(jī)從小孔穿出，由于經(jīng)歷了屢次反射而損失了大局部能量。對空腔外的觀察者而言，小孔對任何波長電磁輻射的吸收比都接近于1，故可看作是黑體。將基爾霍夫輻射定律應(yīng)用于黑體，可見，基爾霍夫輻射定律中的函數(shù)f(λ，T)即黑體的光譜輻射出射度。熱輻射的特點(diǎn)：1、任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；2、可以在真空中傳播；3、伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；4、具有強(qiáng)烈的方向性；5、輻射能與溫度和波長均有關(guān)；6、發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。熱對流熱對流是指熱量通過流動介質(zhì)，由空間的一處傳播到另一處的現(xiàn)象?；饒鲲L(fēng)孔洞面積愈大，熱對流的速度愈快；通風(fēng)孔洞所處位置愈高，熱對流速度愈快。熱對流是熱傳播的重要方式，是影響初期火災(zāi)開展的最主要因素。影響熱傳導(dǎo)的主要因素是：溫差、導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱物體的厚度和截面積。導(dǎo)熱系數(shù)愈大、厚度愈小、傳導(dǎo)的熱量愈多?！?〕熱對流類型按流體在傳熱過程中有無相態(tài)變化，對流傳熱分兩類：①無相變對流傳熱。流體在換熱過程中不發(fā)生蒸發(fā)、凝結(jié)等相的變化，如水的加熱或冷卻。根據(jù)引起流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動的原因，對流傳熱又分自然對流和強(qiáng)制對流。自然對流是由于流體各局部密度不同而引起的流動〔如散熱器旁熱空氣的向上流動〕；強(qiáng)制對流是流體在外力〔如壓力〕作用下產(chǎn)生的流動。強(qiáng)制對流時流體流速高，能加快熱量傳遞，因而工程上廣泛應(yīng)用。②有相變對流傳熱。流體在與壁面換熱過程中，本身發(fā)生了相態(tài)的變化。這一類對流傳熱包括冷凝傳熱和沸騰傳熱。〔2〕對流傳熱機(jī)理流體的運(yùn)動對傳熱過程有強(qiáng)烈影響。當(dāng)邊界層中的流動完全處于層流狀態(tài)時，垂直于流動方向上的熱量傳遞雖然只能通過流體部的導(dǎo)熱，但流體的流動造成了沿流動方向的溫度變化，使壁面處的溫度梯度增加，因而促進(jìn)了傳熱。當(dāng)邊界層中的流動是湍流時，壁面附近的流動構(gòu)造包括湍流區(qū)、過渡區(qū)和層流底層。湍流區(qū)垂直于流動方向上的熱量傳遞除了熱傳導(dǎo)外，主要依靠不同溫度的微團(tuán)之間劇烈混合，即依靠對流傳熱。此傳遞機(jī)理與湍流區(qū)中的動量傳遞機(jī)理十分類似。在層流底層中熱量傳遞只能靠熱傳導(dǎo)。由于流體的熱導(dǎo)率一般很小,所以即使該層很薄，仍是傳熱過程的主要熱阻，相應(yīng)的溫度下降很大。過渡區(qū)的情況介于兩者之間，對流傳熱和熱傳導(dǎo)的作用都不能忽略?！?〕牛頓冷卻定律關(guān)于流體與壁面之間的傳熱雖然可從求解能量方程得到溫度分布，然后計算熱量通量和熱流量；但在工程上常用簡化處理方法,即將熱流量φ與有關(guān)物理量的關(guān)系經(jīng)歷地表示為牛頓冷卻定律：φ＝αAΔT式中A為傳熱面積；ΔT為流體主體溫度〔橫截面上的流體平均溫度〕與壁面溫度之差；α為傳熱分系數(shù)，表示對流傳熱強(qiáng)度的一個參數(shù)，其倒數(shù)可表征對流傳熱的熱阻。通過實(shí)驗(yàn)來測定φ和ΔT，而A為，即可由上式算出α，通常將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成關(guān)聯(lián)式，以供設(shè)計使用。〔4〕對流傳熱的強(qiáng)化由牛頓冷卻定律可知，任何可提高傳熱分系數(shù)以及增大傳熱面積和溫度差的措施，都能提高熱流量。在工業(yè)生產(chǎn)中，物料溫度由工藝決定，加熱和冷卻介質(zhì)的溫度又受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的限制，因之傳熱溫度差的增加通常是受限制的。在增大傳熱面積方面，可采用波紋板、翅片管、螺紋管、小直徑管等，借以提高單位體積的傳熱面積。而提高對流傳熱分系數(shù)，是強(qiáng)化對流傳熱最根本的方法。無相變對流傳熱時，熱阻集中在層流底層，增強(qiáng)流體湍動或直接在層流底層中產(chǎn)生干擾，以減薄層流底層的厚度，是提高傳熱分系數(shù)的有效方法。提高對流傳熱分系數(shù)的措施包括增加壁面粗糙度，管設(shè)置添加物〔如插入螺旋圈片〕，氣流中參加固體細(xì)粒，利用噴嘴產(chǎn)生射流等。有相變對流傳熱的機(jī)理與無相變的不同，需采取不同措施進(jìn)展強(qiáng)化〔見沸騰傳熱、冷凝傳熱〕。2.3傳熱系數(shù)在傳熱根本方程式Q=KAΔtm中，傳熱量Q是生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定的，溫度差Δtm之值由冷、熱流體進(jìn)、出換熱器的始、終溫度決定，也是由工藝要求給出的條件，那么傳熱面積A之值與總傳熱系數(shù)K值密切相關(guān)，因此，如何合理地確定K值，是設(shè)計換熱器中的一個重要問題。目前，總傳熱系數(shù)K值有三個來源：一是選取經(jīng)歷值，即目前生產(chǎn)設(shè)備中所用的經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)并總結(jié)出來的生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)；二是實(shí)驗(yàn)測定K值；三是計算。前述確定K值的方法雖然簡單，但往往會因具體條件不完全符合所設(shè)計的情況，而影響到設(shè)計的可靠性。所以，還必須對傳熱過程進(jìn)展理論上的分析，以了解各種因素對傳熱過程的影響，從而建立起計算總傳熱系數(shù)K的定量式。這樣可將理論計算值與生產(chǎn)過程的經(jīng)歷值或現(xiàn)場測定值互相核對、互相補(bǔ)充，最后得出一個比擬符合客觀實(shí)際的K值，以用來進(jìn)展生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計。兩流體通過金屬壁的傳熱包括以下過程：①熱流體以對流傳熱的方式將熱量傳給管壁一側(cè)；②通過管壁的熱傳導(dǎo)；③由管壁另一側(cè)以對流傳熱的方式將熱量傳給冷流體。上述過程可表示如下。根據(jù)傳熱速率方程式，當(dāng)傳熱量Q、傳熱面積A及平均溫度差為時，那么可測出某換熱設(shè)備在該工藝條件下的K值?？记绊氈孩倏倐鳠嵯禂?shù)和傳熱面積的對應(yīng)關(guān)系。所選基準(zhǔn)面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值也不同。手冊中所列的K值，無特殊說明，均視為以管外外表為基準(zhǔn)的K值。②管壁薄或管徑較大時，可近似取，即圓筒壁視為平壁計算。③總傳熱系數(shù)K值比兩側(cè)流體中α值小者還小。④當(dāng)時，壁阻可忽略不計時，那么且當(dāng)時，壁阻可忽略不計時，那么且由此可知，總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對流傳熱所控制的，即兩個對流傳熱系數(shù)相差較大時，要提高K值，關(guān)鍵在于提高α較小的；假設(shè)兩側(cè)α相差不大時，那么必須同時提高兩側(cè)的α值，才能提高K值。第三章管式加熱爐的節(jié)能改造根據(jù)影響管式加熱爐熱效率的主要因素及存在的問題，指出提高管式加熱爐熱效率的具體措施。根據(jù)系統(tǒng)、裝置的操作情況、特點(diǎn)，制定出合理的、最正確的方案，使管式加熱爐的熱效率得到提高，到達(dá)節(jié)約能源的目的，對降低煉油廠總能耗具有重要的意義。3.1節(jié)能改造途徑加熱爐熱效率是指爐子熱負(fù)荷與燃料發(fā)出的熱量之比。管式加熱爐熱效率一般為75%左右，目前先進(jìn)的管式爐熱效率為80%~85%，最高達(dá)88%~92%。熱效率高說明一樣的熱負(fù)荷所耗的燃料量少。在加熱爐燃料燃燒放出的熱量，除被油品吸收外，其余的熱量均被煙氣帶走或爐體散熱損失掉，假設(shè)煙氣溫度越高，帶走的熱量就越多，故加熱爐的熱量最大是由煙氣帶走的；另外，過?？諝庀禂?shù)對加熱爐的熱效率也有較大影響，過?？諝庀禂?shù)指實(shí)際供應(yīng)燃料燃燒的空氣與理論空氣量的比值，在保證燃燒完全的前提下，使?fàn)t子在低而穩(wěn)定的過剩空氣系數(shù)下操作是有利的。過?？諝庀禂?shù)過小會造成燃燒不完全而浪費(fèi)燃料，過?？諝庀禂?shù)過大，進(jìn)入爐膛的空氣量大，爐膛溫度下降，影響傳熱效率，同時也增加了煙氣的量。此外煙氣中的氧氣較多，會使?fàn)t管外表氧化加劇，縮短了爐管的壽命。過剩空氣系數(shù)一般在1.2~1.5左右。所以提高管式加熱爐熱效率的途徑主要有：〔1〕改良燃燒狀況，使燃料完全燃燒；〔2〕充分回收煙氣熱量；〔3〕提高爐壁的保溫質(zhì)量，減少爐壁散熱損失。3.2加熱爐在操作中的節(jié)能加熱爐在操作中的節(jié)能也是節(jié)能的重點(diǎn)，在操作中最主要的是控制排煙溫度〔在設(shè)有可控手段的加熱爐上可實(shí)現(xiàn)〕和氧含量?？刂蒲鹾恐饕獜膬蓚€方面來控制?？刂迫紵╋L(fēng)燃燒供風(fēng)是是必需滿足的，但是不適宜的供風(fēng)也將造成燃料損失，對于加熱爐來說，不但要控制煙氣中的氧含量低，還要控制煙氣中的CO含量低，要經(jīng)常檢測煙氣中的CO含量，正常的CO含量為50～150ppm。無論煙氣中的氧含量有多低，只要是沒有檢測到CO，就可以繼續(xù)降低供風(fēng)量，但是如果CO超過了預(yù)定值，即使是氧含量超標(biāo)，也要繼續(xù)增加供風(fēng)，否那么就相當(dāng)于燃料在放空。不但能耗增加，而且造成新的污染。有一些燃燒器在低供風(fēng)時不能完全燃燒，這可以通過改造和更換來解決，對于大局部燒氣的燃燒器，通?？梢酝ㄟ^增加旋流來解決，但是如果爐膛的溫度不高，并且爐膛也不太高的情況，自然通風(fēng)的燃燒器這樣改造受到限制，同時自然通風(fēng)的燃燒器不能適應(yīng)早晚的空氣溫度變化和濕度變化帶來的實(shí)際通風(fēng)量的差異，再加上由于動力缺乏，燃燒的強(qiáng)度較低，所以其過?？諝庖咭恍？刂萍訜釥t的漏風(fēng)加熱爐在傳熱區(qū)漏風(fēng)是有害的，如果在輻射室漏入，不但能量損失增加，還較大幅度的降低傳熱能力。目前新設(shè)計的加熱爐對流室的漏風(fēng)量很少。因此我們控制加熱爐的漏風(fēng)主要是要控制輻射室的漏風(fēng)。加熱爐的最大負(fù)壓在爐底，型加熱爐其爐底負(fù)壓在10mm水柱以上，而爐頂僅控制在1～3mm水柱。顯然在同樣的泄漏面積下，控制底部的漏風(fēng)是最有效的。在爐底，最大的漏風(fēng)是燃燒器的漏風(fēng)，如果一臺強(qiáng)制通風(fēng)的加熱爐，其底部燃燒器有停開的，那么這臺爐子的氧含量就很難控制，特別是強(qiáng)度高的燃燒器更是如此。因此燃燒器的調(diào)風(fēng)板必需是密封的。其次就是底部的門孔類，對于爐膛溫度和高度較高的加熱爐，一個下層看火孔如果全開的話，每小時漏入的風(fēng)量將達(dá)1000m3N/h。這是一個很大的量，相當(dāng)于一臺1MW燃燒器的用風(fēng)量。但是如果這個開孔面積在爐頂?shù)脑?，僅有五分之一的漏風(fēng)量，所以對于下層門孔要盡量的密閉。通過漏風(fēng)來改變煙囪的抽力，這樣的控制在國外許多加熱爐上采用。由于控制精度的提高，加熱爐的漏風(fēng)量大為減少，資料介紹，平均能提高加熱爐的效率一個百分點(diǎn)。采用這種方法還可以取消爐體的防爆門，防爆門在國外的規(guī)和國的規(guī)均沒有要求加裝，可是在線運(yùn)行的加熱爐經(jīng)常出現(xiàn)閃爆，所以我國目前運(yùn)行的加熱爐均裝有防爆門，如果在煙道系統(tǒng)沒有擋板就可以不裝防爆門，因?yàn)橐粋€防爆門的泄爆面積只有0.2m2，而如果煙囪沒有擋板的話，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于防爆門的泄爆面積。以往一提到加熱爐的節(jié)能，大家自然都想到的是提高加熱爐的效率。提高效率確實(shí)可以節(jié)能，但是節(jié)能的根本目的是節(jié)約燃料，節(jié)約燃料有多種途徑，工藝上節(jié)能是根本。具體措施：〔1〕降低排煙溫度；〔2〕提高空氣入爐溫度；〔3〕合理控制過剩空氣系數(shù)。管式加熱爐對流室出口溫度為排煙溫度，排煙溫度在某種程度上對管式加熱爐的熱效率起決定因素，徘煙溫度越低，其煙氣帶走的熱量越少，熱損失越小，熱效率越高。而排煙溫度主要與被加熱介質(zhì)入口的溫度有關(guān)，并且隨介質(zhì)入口溫度升高而升高，隨煙氣與介質(zhì)之間的溫差而變化。所以提高管式加熱爐的熱效率必須充分利用對流室，從而降低被加熱介質(zhì)入口的溫度和縮小煙氣與介質(zhì)之間的溫差，使排煙溫度降低。管式加熱爐的原料一般都是先經(jīng)裝置換熱后，再進(jìn)管式加熱爐，所以可通過減少換熱流程、采取冷進(jìn)料方式來降低管式加熱爐介質(zhì)入口溫度，或者增加余熱回收設(shè)備，使排煙溫度降低，提高管式加熱爐的熱效率。利用裝置的余熱或用煙氣的余熱來預(yù)熱入爐空氣，這樣，不僅可以省掉冷卻該介質(zhì)的空冷和水冷設(shè)備，使管式加熱爐的排煙溫度下降，同時又提高了進(jìn)入管式加熱爐的空氣溫度，對燃燒及傳熱帶來很多好處。當(dāng)空氣預(yù)熱到150℃時，相當(dāng)于將管式加熱爐熱效率提高7%，當(dāng)空氣預(yù)熱到250℃時，相當(dāng)于將管式加熱爐熱效率提高12%?？梢娞岣呖諝獾娜霠t溫度，可以進(jìn)一步提高管式加熱爐的熱效率。通常采用的方式為：用煙氣余熱來預(yù)熱空氣，這樣即可降低管式加熱爐的排煙溫度，又可提高空氣的入爐溫度，使管式加熱爐的熱效率得到提高。過?？諝庀禂?shù)對管式加熱爐熱效率影響很大。過剩空氣系數(shù)過大，一方面，說明管式加熱爐煙氣含氧量過多，排煙時，過?？諝鈱崃繋ё?，排入大氣，所以使?fàn)t子熱損失增加，熱效率下降；另一方面，會降低爐膛燃燒溫度，使?fàn)t管外表熱強(qiáng)度下降，假設(shè)要保證管式加熱爐的恒定熱負(fù)荷，那么必須增加燃料用量，使管式加熱爐熱效率下降。過?？諝庀禂?shù)過小，會造成燃料燃燒不完全，也會使管式加熱爐燃料耗量增加，從而使管式加熱爐熱效率下降。合理的控制過剩空氣系數(shù)，對提高管式加熱爐的熱效率是很重要的。通常采取的措施是，檢測煙氣中的一氧化碳含量，來控制煙道供風(fēng)擋板或燃燒空氣入爐量，使管式加熱爐處于最正確的燃燒狀態(tài)，從而使燃料耗量減少。3.3煉廠加熱爐節(jié)能改造燕化煉油廠常減壓兩臺管式加熱爐是1969年投產(chǎn)使用的，在80年代初進(jìn)展了第一次節(jié)能，由于當(dāng)時受技術(shù)和條件的限制，改造后仍存在許多問題，主要有加熱爐散熱泄漏嚴(yán)重，熱量損失大，致使加熱效率較低，約80%左右，加熱爐的前置式空氣預(yù)熱器溫度較